朱卫华《大学物理》热学课件

大学物理热学热学是物理学的一个重要分支，研究热现象及其规律热学主要研究温度、热量、比热容、热传递、热力学、统计物理等概念和原理热学的研究对象热现象物质的微观结构能量的转换与守恒热力学定律温度、热量、比热容等原子、分子、运动、相互作热能、机械能、电能、光能热力学第一定律、第二定律用等、第三定律热学的基本概念温度热量12温度反映物体的冷热程度，是物质分子平均动能的反映热量是能量的一种形式，表示物体间温度差导致的能量传递内能热力学34内能是物体内部所有微观粒子动能和势能的总和热力学是研究热现象的规律及其应用的学科，包括热力学定律、热力学函数等温度的定义与测量温度的定义1温度是物体冷热程度的标志温度是宏观物质的热力学性质，反映了物质内部微观粒子热运动的剧烈程度，微观粒子热运动越剧烈，温度越高，反之，则温度越低温度的测量2温度测量是通过温度计来实现的，利用物质的热胀冷缩性质，通过测定物质的体积变化来确定温度温度计的种类3常用的温度计有液体温度计、气体温度计、热电偶等液体温度计以液体体积变化来测量温度，气体温度计以气体压强变化来测量温度，热电偶是利用两种金属材料的热电效应来测量温度温标的建立摄氏温标华氏温标摄氏温标，以冰点为度，沸华氏温标，以冰点为度，032点为度，在度之间等沸点为度，在度之间100100212180分为个刻度这是最常用等分为个刻度在美国等100180的温标之一，在日常生活中使少数国家使用用广泛绝对温标绝对温标，以热力学零度为起点，在度之间等分为个刻度100100它是热力学中的重要温标，方便计算和分析热力学现象热平衡与温度测量热平衡状态当两个物体相互接触达到热平衡状态时，它们的温度相同温度计温度计是利用物质热膨胀的特性来测量温度的仪器测量方法将温度计与待测物体充分接触，待温度计的读数稳定后，读取温度计上的数值热平衡应用热平衡原理在许多领域有应用，例如温度测量、热力学研究等热量的概念与单位热量定义热量单位热量是物体间由于温度差而传递的能量它可以从高温物体热量的单位是焦耳（），它是国际单位制中能量的单位此J传递到低温物体，也可以从低温物体传递到高温物体热量外，卡路里（）也是常用的热量单位，卡路里等于cal1传递的方向取决于物体间的温差焦耳

4.184内能的概念能量总和微观粒子运动能量形式内能指物体内部所有微观粒子（原子或内能与物体温度、体积和状态有关内能无法直接测量，只能通过变化量来分子）的动能和势能的总和体现热量与内能的关系热量是能量的一种形式，可以从一个物体转移到另一个物体，也可以转化为其他形式的能量，例如机械能内能是物体内部所有粒子运动的总能量，包括动能和势能内能的变化可以由热量传递或做功引起热量内能能量的一种形式，可以转移物体内部粒子总能量通过热传递改变通过热传递或做功改变第一定律热量、功和内能的关系热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体体现，它描述了热量、功和内能之间的关系热量1物体间温度差引起的能量传递功2外力对物体做的功内能3物体内部所有分子运动的总能量热量、功和内能之间存在着相互转化关系，热量可以转化为内能，也可以转化为功反之亦然定压、定积过程中内能的变化定压过程1压力不变，体积变化定积过程2体积不变，压力变化内能变化3与热量和做功有关定压过程，气体体积膨胀，对外做功，内能减少定积过程，气体吸收热量，内能增加比热容的概念及测量比热容是指单位质量的物质温度升高摄氏度所需的热量1比热容是物质的一种特性，与物质的种类、状态和温度有关比热容可以通过实验测量得到，常用的方法是量热法热量传导的基本规律傅里叶定律稳态热传导非稳态热传导123热量传导速率与温度梯度成正比当热量传导达到稳定状态时，物当热量传导过程处于非稳定状态，与传热面积成正比，与材料的体各部分的温度保持不变时，物体各部分的温度随时间变热导率成正比化热量传导的应用热量传导是日常生活中常见的现象，例如用火炉加热水壶，热量从火炉传导到水壶，再传导到水热量传导也是工业生产的重要应用，例如锅炉、热交换器等设备，都是利用热量传导原理来进行热量传递对流换热的基本规律热气球升空暖气片散热海风吹拂热气球的升空依靠热空气膨胀上升，利暖气片散热利用暖气片周围的空气受热海风是陆地和海洋之间温度差异产生的用热空气密度比冷空气低的原理上升，冷空气补充进来，形成对流循环对流，白天陆地温度高，空气上升，海，传递热量洋上空空气补充进来，形成海风对流换热的应用对流换热是自然界和工程技术领域中常见的传热方式例如，风力发电利用空气流动进行能量转换，散热器利用空气流动带走热量，暖气片利用对流原理使房间更暖和生活中，常见的对流换热应用还有空调制冷、水壶烧水、锅炉供暖等对流换热在能源利用、工业生产和日常生活方面发挥着重要作用辐射热的基本规律斯特藩玻尔兹曼定律维恩位移定律-任何物体都会辐射电磁波，辐射能量黑体辐射的能量谱分布随温度变化，与温度的四次方成正比黑体是理想温度越高，辐射能量峰值对应的波长化的完全吸收和完全辐射的物体，其越短太阳辐射峰值在可见光区域，辐射能量最大而地球辐射峰值在红外区域温室效应与辐射热大气层吸收辐射气候变化的影响大气层中的二氧化碳等温室气温室效应加剧导致全球平均气体吸收了来自地球的红外辐射温升高，引发海平面上升、极，并将其重新辐射回地球表面端天气事件增加等一系列环境，导致地表温度升高问题减少温室气体排放为了减缓温室效应，必须控制温室气体排放，采取节能减排措施，发展清洁能源技术相变的概念与相图物质的三态相变的类型固态、液态和气态是物质的三种常相变主要包括熔化、凝固、汽化、见状态在一定条件下，物质可以液化、升华和凝华六种从一种状态转变为另一种状态，这就是相变相图应用相图可以直观地表示物质在不同温相变在生产生活中有着广泛的应用度和压力下存在的相态以及相变过，例如制冷、蒸汽机、化工等领域程升华、液化和凝固过程升华1固态直接变为气态液化2气态变为液态凝固3液态变为固态升华过程需要吸收热量，液化过程需要放出热量，凝固过程需要放出热量升华是物质从固态直接变为气态的过程，例如干冰升华成二氧化碳气体液化是物质从气态变为液态的过程，例如水蒸气液化成水凝固是物质从液态变为固态的过程，例如水凝固成冰沸腾现象及其应用气泡形成温度升高12液体内部形成气泡，逐渐上沸腾过程中，温度保持不变升，并最终破裂，直到所有液体都沸腾应用蒸汽机34沸腾现象在工业和生活中有蒸汽机利用沸腾产生的蒸汽着广泛的应用，例如蒸汽机推动活塞运动，进行机械功、锅炉等蒸发与露点蒸发露点影响因素液体表面分子获得足够能量，克服空气中水蒸气达到饱和状态时的温温度•液体的内聚力，逃逸到气相的过程度，低于露点温度，空气中的水蒸气压•气就会凝结成露水湿度•潜热的概念及其应用潜热定义汽化潜热凝固潜热物质发生相变时，吸收或放出的热量称液态物质汽化时，每单位质量吸收的热液态物质凝固时，每单位质量放出的热为潜热量称为汽化潜热量称为凝固潜热气体运动及其内能分子运动内能气体分子处于永不停息的无规则运动气体的内能是指气体分子无规则运动状态它们以高速在空间中运动，并的动能和分子间相互作用势能的总和不断地与容器壁和彼此碰撞它取决于气体的温度、体积和分子数理想气体状态方程描述公式理想气体状态方程是描述理想理想气体状态方程的公式为气体状态的方程式，它描述了，其中表示压力PV=nRT P理想气体的压力、体积、温度、表示体积、表示物质的V n和物质的量之间的关系量、表示理想气体常数，R T表示温度应用该方程可以用来计算理想气体的压力、体积、温度或物质的量，也可以用来研究理想气体在不同条件下的行为气体分子动理论气体分子动理论随机运动相互碰撞微弱作用力解释气体宏观性质的微观理气体分子处于永不停息的无分子之间发生相互碰撞，并分子间的作用力相对较弱，论规则运动中传递动量和能量气体分子运动自由麦克斯韦分布函数麦克斯韦速度分布函数描述了理想气体中分子速度的概率分布该函数表明，在一定温度下，大多数分子速度接近平均速度，而极少数分子速度非常高或非常低气体分子运动的平均速度气体分子在空间中无规则运动，其速度各不相同，因此需要引入平均速度的概念来描述气体分子的整体运动状态常用的平均速度包括三种平均速率、方均根速率和最概然速率√8KT/πM方均根速率表示所有分子速度平方和的平均值的平方根，反映了分子运动速率的整体水平√2KT/M最概然速率表示分子速度分布函数的极大值所对应的速度，即速度分布中出现概率最大的速度4√KT/πM平均速率表示所有分子速度的平均值，反映了分子运动速率的平均水平这些平均速度与气体温度和分子质量有关，温度越高，平均速度越大；分子质量越小，平均速度越大平均分子动能与温度的关系气体分子平均动能与绝对温度之间存在着直接的比例关系这意味着温度越高，分子平均动能越大，分子运动越剧烈1/2动能平均动能表示气体分子运动的剧烈程度K玻尔兹曼常数比例系数，与分子大小无关，反映了微观世界与宏观世界之间的关系T绝对温度以开尔文为单位，描述气体分子平均动能的物理量该关系可以用公式表示分子论解释热学定律气体压强气体温度气体压强是由气体分子不断撞击器壁产生的分子运动越剧气体温度反映了气体分子平均动能的大小温度越高，分子烈，撞击越频繁，压强越大平均动能越大，气体压强也越大分子动能越大，撞击力越强，压强也越大气体热力学第一定律能量守恒能量的形式可以相互转化，但总量保持不变热量传递系统吸收或释放热量，导致其内能发生变化做功系统对环境做功，会导致其内能减少，反之亦然。